 |
Malignant hyperthermia susceptibility: a risk factor of pancreatitis?
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
112199 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Almássy, János |
| Title in Hungarian |
Malignus hyperthermia-hajlam: az akut pancreatitis rizikófaktora? |
| Title in English |
Malignant hyperthermia susceptibility: a risk factor of pancreatitis? |
| Keywords in Hungarian |
Malignus hyperthermia, rianodin receptor, mutáció, kalcium, pancreatitis, hasnyálmirigy |
| Keywords in English |
Malignant hyperthermia, pancreatitis, ryanodine receptor, mutation, calcium, pancreas |
| Discipline |
| Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences) | 100 % |
|
| Panel |
Physiology, Pathophysiology, Pharmacology and Endocrinology |
| Department or equivalent |
Department of Physiology (University of Debrecen) |
| Starting date |
2014-09-01 |
| Closing date |
2017-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
9.000 |
| FTE (full time equivalent) |
2.10 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A pancreatitis előfeltétele az acinussejt intracelluláris Ca2+ koncentrációjának ([Ca2+]i) tartósan magas megemelkedése, amit legtöbbször az acinussejt túlzott szektetagog stimulációja, valamint epesavak és alkohol metabolitok (zsírsav etil észterek, FAEE) váltanak ki. Az utóbbi kettő az endoplazmatikus retikulum Ca2+ csatornáinak, az inozitol triszfoszfát- és rianodin receptorok (RyR) közvetlen vagy közvetett aktiválásával hat. A vázizom típusú RyR (az acinussejt fő izoformája is) egyes pontmutációi bizonyos agonistákkal szemben érzékenyítik a RyR működését. Ilyenek a halogénezett altatógázok pl. halotán, mely az érintetteknél már terápiás koncentrációban is fokozza az izomban a nyugalmi Ca2+ felszabadulást, kontraktúrát okoz, így malignus hiperthermiás rohamot (MH) vált ki. Az MH RyR-ok túlérzékenysége számos más agonistával kapcsolatban is kimutatott jelenség. Bár az epesavak és a FAEE-ek közvetlen RyR hatására utaló adatok már léteznek, azt célzottan és a MH mutációkkal összefüggésben még nem vizsgálták. Hipotézisem szerint az epesavak és a FAEE-ek aktiválják a RyR-t, és még annál is fokozottabb mértékben serkentik a MH-mutáns RyR-okat. Vizsgálataim célja a RyR toxikus [Ca2+]i létrehozásában betöltött szerepének megértése, valamint az epesavak és a FAEE-k RyR-re gyakorolt hatásának tisztázása. Az epesavak és a FAEE-k vizsgálata „MH-hasnyálmirigy acinussejteken” azért érdekes, mert kóros körülmények között a pancreasban (a vázizomhoz képest) kiugróan magas szintet érhetnek el. Feltevésem igazolása arra utalna, hogy a MHS-ra való érzékenység egyben pancreatitisre is hajlamosít, így az MHS-gyanús egyének szűrésével lehetővé válna a pancreatitis-hajlam előrejelzése.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Kutatásom alapkérdése az, hogy a malignus hyperthermia (MH) -érzékenység genetikai rizikófaktora lehet-e a hasnyármirigy gyulladásnak. A kérdést azok az eredmények vetik fel, melyek szerint az epesavak és az alkohol metabolit - zsírsav etil észterek - által kiváltott toxikus mértékű Ca2+ felszabadulás (ami a zymogének intraacináris aktiválódásához és pancreatitishez vezet) a RyR és az IP3R együttes közreműködésével jön létre. Mivel a pancreatitis fent említett legfontosabb rizikófaktorai (epekő és alkoholizmus) az esetek többségében együttesen sem okoznak betegséget, kézenfekvő feltételezni egy hasnyálmirigy gyulladásra hajlamosító genetikai faktor létezését. IP3R endogén mutációkat még nem írtak le, RyR mutációkat viszont igen (közel 100-at). A genetikai faktort ezért logikus a RyR génben keresni. A RyR MH-ra hajlamosító mutációinak közös jellemzője, hogy agonista-hatásokra érzékenyítik a RyR működését. Alaphipotézisem szerint a MH-érzékeny egerekből izolált acinussejteken a vad típushoz képest alacsonyabb secretagog, epesav és FAEE koncentrációkkal váltható ki Ca2+ hullám, vagy kóros mértékű Ca2+ felszabadulás. A hipotézist megerősítő válasz esetén a szenzitizáció pontos okát is tisztázni szeretném, mivel az kétféle mechanizmussal is megvalósulhat: közvetlenül, az epesavak és a FAEE RyR-re gyakorolt fokozottabb aktiváló hatása következtében, vagy ennek hiányában közvetve, a mutáns receptorokra jellemző fokozott Ca2+ indukált Ca2+ felszabadulással. Az epesavak, és a FAEE RyR-ra gyakorolt feltételezett hatását tisztított RyR-okon (és MH RyR-okon) szeretném vizsgálni.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A halogénezett altatógázok az arra érzékeny egyéneknél malignus hiperthermiás (MH) rohamot váltanak ki. A műtéti kockázat csökkentése céljából a MH-gyanús pácienseket, akiknél a családban már korábban előfordult MH roham, a műtét előtt egy in vitro diagnosztikai teszttel szűrik, és elkerülik a veszélyes altatószerek alkalmazását. Az MH tüneteinek oka a rianodin receptor (RyR) pontmutációira vezethetők vissza, melyek a RyR zárt állapotának destabilizálásával megkönnyítik a RyR agonista ligandok általi aktiválhatóságát, kapuzhatóságát. A MH RyR-ok szenzitizálódását már a jelentősebb agonistáinál leírták (halotán, koffein, 4-CMC, ATP, Ca2+), de a pancreatitis pathomechanizmusában fontos zsírsav etil észterek és epesavak MH mutáns RyR-re gyakorolt közvetlen hatását még nem vizsgálták, ugyanakkor a vad típusú RyR-re és acinussejtekre gyakorolt hatásuk mechanizmusa is tisztázásra szorul. Ezek a vegyületek a hasnyálmirigyben patológiás körülmények között szélsőségesen magas lokális koncentrációban termelődnek vagy halmozódnak fel, és az acinussejtekben a RyR közreműködésével túlzott mértékű Ca2+ felszabadulást váltanak ki, ami kedvez a hasnyálmirigy gyulladás kialakulásának. A vázizom RyR-ai nincsenek kitéve ilyen magas koncentrációjú hatásnak. Kutatásaimmal hipotézisemet szeretném ellenőrizni, mely szerint a MHS RyR hiperérzékenysége a hasnyálmirigy gyulladást súlyosbító és arra hajlamosító eddig feltáratlan rizikófaktor lehet. Mindkét betegség ritka (10/100000 fő/év, illetve 1/15000 altatás), és kapcsolatukat még nem írták le. Feltevésem helyessége hangsúlyozná a MH gyanús betegek mielőbbi, rutin szűrésének jelentőségét (most csak műtéti beavatkozás kapcsán történik szűrés), mivel ezzel a pancreatitisre való hajlam előre jelezhető lenne. Az epesavak és a FAEE-ek közvetlen, RyR-re gyakorolt aktiváló hatásának tesztelésével mindenképpen új, hasznos eredmény születik, ami segít megérteni a pancreatitis etiológiáját, a RyR általános szerepét, és kiemelhetik a RyR, mint terápiás célpont jelentőségét. Kísérleteim választ adnak arra, hogy az MH RyR specifikus sajátságai (hiperérzékenység és heves Ca2+ indukált Ca2+ felszabadulás) hozzájárulhatnak-e a pancreatitis kialakulásához vagy súlyosságához.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A hasnyálmirigy gyulladás egy fájdalmas és sokszor halálos betegség. Rizikófaktorai az epekő és a mértéktelen alkoholfogyasztás. A gyulladást az váltja ki, hogy az acinussejtek által termelt és tárolt emésztőenzimek még a sejten belül működésbe lépnek és a sejt megemészti önmagát. Az enzimek aktiválódásának oka a sejt Ca2+-szintjének kóros mértékű megemelkedése. Egészséges esetben a Ca2+ sejten belüli raktárakba zárva tárolódik, és onnan szükség esetén Ca2+-csatornákon, inozitol triszfoszfát- (IP3) és rianodin receptorokon (RyR) keresztül ürül. Az epesavak és az alkohol lebontási termékei, a zsírsav etil észterek úgy indítják be a kórfolyamatot, hogy stimulálják ezen receptorokat, és ezzel serkentik a Ca2+ felszabadulását.
A RyR genetikai eltérései is okozhatnak túlzott Ca2+ felszabadulást, ami vázizom-tünetekben nyilvánulhat meg, hiszen Ca2+ szükséges az izom összehúzódásához is. Egyes RyR-mutációk malignus hiperthermiára (MH) hajlamosítanak. Az érintetteknél bizonyos altatógázok túlérzékenységi reakciót váltanak ki: fokozzák az izomtónust, ami súlyos lázat okoz. Megfelelő beavatkozás nélkül a folyamat halálos kimenetelű. A jelenség azzal magyarázható, hogy a MH RyR-ok az altatógáz stimuláló hatására fogékonyabbak, így őket az már terápiás dózisban is megnyitja. A MH RyR kóros túlérzékenységét más vegyületek kapcsán is leírták.
Munkám során a RyR pancreatitisben játszott szerepét vizsgálom. Fő kérdésem, hogy a MH RyR a pancreatitist okozó stimulánsokkal szemben is érzékenyebb–e, azaz, hogy a MH mutáció hajlamosít-e hasnyálmirigy gyulladásra. Ha a kapcsolat bizonyítható, a MH RyR-t hordozó egyének genetikai alapú szűrésével a pancreatitis-hajlam előre jelezhető lehet.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The earliest critical event of pancreatitis is a long lasting high amplitude rise of intracellular Ca2+ concentration ([Ca2+]i) in the acinar cell, mostly caused by secretagogue overstimulation or by high concentrations of bile acids and alcohol metabolites (fatty acid ethyl esters, FAEE). The latter two act by direct or indirect activation of the endoplasmic reticulum Ca2+ release channels IP3R and ryanodine receptors (RyR).
Certain mutations in skeletal muscle type RyR (also the main kind in pancreatic acini) render it more sensitive to agonists such as halogenated anesthetics. These drugs induce Ca2+ release in resting muscle even at therapeutic concentrations, that gives rise to contractrures and malignant hyperthermia (MH) attack. Oversensitivity of MH RyR is a general feature that has been demonstrated for many other agonists too.
Although there are data implying that bile acids and FAEEs may directly activate RyR, their action on either WT or MH RyR hasn’t been investigated with direct methods. I hypothesize that bile acids and FAEEs activate RyR directly and that they activate MH mutants even more excessively. The aim of my research is to understand the role of RyR-generated toxic [Ca2+]i in health and MH susceptibility and to clarify the mechanism of action of bile acids and FAEEs. To examine the action of bile acids and FAEEs on ”MH pancreatic acinar cells” is relevant because in disease these agents can reach extremely high concentrations in pancreas compared to muscle.
Evidence supporting my hypothesis would suggest that MH susceptible patients are prone to pancreatitis. Then, screening for MH susceptible suspects could be used to predict pancreatitis.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The ultimate question of my research is, whether malignant hyperthermia susceptibility (MHS) could be a genetic risk factor for pancreatitis. My question was raised by recently published data suggesting that bile acid- and the alcohol metabolite fatty acid ethyl ester provoked pathological Ca2+ release events (which result in intraacinar zymogen activation and pancreatitis) are generated by the contribution of both ryanodine- and inositol trisphosphate receptors (RyR and IP3R respectively). Since only a minority of heavy drinkers with gallstones (these are the two main risk factors) develop disease, it’s plausible to assume a genetic factor in pancreatitis etiology. Endogenous human mutations have not been identified yet in IP3R, but nearly 100 have been in RyR. Therefore it is logical to look for a genetic factor in the RyR gene. The common feature of RyR mutations conferring MHS is that they sensitize RyR to ligands (e.g. Ca2+).
According to my hypothesis, Ca2+ waves or Ca2+ release of pathological magnitude can be triggered using lower concentrations of secretegogues, bile acid and FAEE in MHS mouse pancreatic acinar cells compared to wild type. If the hypothesis is correct I will clarify the reason for the sensitization, as it can involve two different mechanisms. Bile acid and FAEE could augment MH RyR function by an allosteric mechanism or alternatively by inducing Ca2+ release from a different source that in turn triggers an enhanced Ca2+ induced Ca2+ release in MH.
The supposed direct action of bile acid (TLCA) and FAEE on RyR (and MH RyR) will be studied using RyR single channel recordings.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Halogenated volatile anesthetics trigger malignant hyperthermia (MH) episode in susceptible patients. In order to decrease the risk of surgery, patients with a family history of MH episodes are screened using an in vitro diagnostic test; and triggering agents are avoided during surgery. MH syndrome is attributed to point mutations in ryanodine receptor Ca2+ release channels (RyR). They destabilize the closed state of RyR and facilitate the ligand gating of the channel. MH RyR’s agonist-hypersusceptibility has been demonstrated using many agonists (i.e. to halothane, caffeine, 4-CMC, ATP, Ca2+), but the direct action of agents relevant in pancreatitis etiology (such as bile acids and fatty acid ethyl esthers, FAEE) have never been tested either on MH- or wild type RyR. Also, their mechanism of action in pancreatic acinar cells needs clarification. Under pathological conditions, bile acids and FAEEs can reach extremely high concentrations in the pancreas, which induces pancreatitis by triggering excessive Ca2+ release partially from ryanodine sensitive stores. RyRs in skeletal muscle are never challenged by such high concentrations of these compounds.
The research will test my hypothesis suggesting that MH RyR’s hypersensitivity is an unknown risk factor of pancreatitis and/or might contribute to the severity of the disease. Both disorders are rare (10/100000 cases/year and 1/15000 anesthesia) and their relationship has not been revealed yet. Evidence supporting my hypothesis would emphasize the importance of routine screening for MH susceptibility or mutations among patients with family history (screening is normally done only before surgery). Identification of the disorder could be used to forecast individual pancreatitis-susceptibility.
My experiments will help to clarify RyR’s general and MH RyR’s specific role in pancreatitis pathophysiology.
Either supporting or confuting evidence for allosteric RyR activation by bile acids or FAEEs will provide valuable new information which will help in understanding RyR’s role in pancreatitis etiology; and RyR’s therapeutic potential could be underlined.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Pancreatitis is a painful and often deadly disease. Risk factors are gallstones and alcoholism. The inflammation is initiated by self-digestion of the pancreas due to premature intraacinar activation of proteases, which could be induced by pathologically high levels of intracellular Ca2+. Normally, excess Ca2+ is stored in intracellular stores and released in a controlled manner through inositol trisphosphate- and ryanodine receptor (RyR) Ca2+ channels when needed. Bile acids and alcohol metabolites trigger the pathological process by opening IP3R and RyRs leading to increased intracellular Ca2+.
Genetic disorders of RyR can also cause excessive Ca2+ release. They are usually manifested in muscle dysfunction because Ca2+ is also required for muscle contraction. Certain RyR mutations cause malignant hyperthermia susceptibility (MHS). In MHS people anesthetics can trigger a hypersensitivity reaction with high muscle tone and severe fever, which can lead to death without appropriate and immediate medical intervention. The symptoms are attributed to MHS RyRs’ hypersusceptibility to the stimulating action of volatile anesthetics, which open them even at low therapeutic doses. MHS RyRs` hypersensitivity has also been demonstrated for other RyR agonists.
My research focuses on the role of RyR in pancreatitis. I ask the scientific question, is MHS RyR more susceptible to pancreatitis-triggering stimulants (compared to normal RyR). In other words I ask, whether MHS mutation predisposes the carrier to pancreatitis. If the relationship between the two conditions really exists, genetic screening for MHS RyR gene could be used to predict pancreatitis susceptibility.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
